在數(shù)據(jù)中心直流供電系統(tǒng)向高密度、高頻化演進(jìn)的進(jìn)程中，碳化硅(SiC)MOSFET憑借其低導(dǎo)通電阻、高頻開關(guān)特性及高溫穩(wěn)定性，成為替代傳統(tǒng)硅基IGBT和MOSFET的核心器件。然而，其高速開關(guān)過程中產(chǎn)生的直流電磁干擾(EMI)、體二極管反向恢復(fù)電流及開關(guān)振鈴現(xiàn)象，正成為制約系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵瓶頸。本文從器件物理機(jī)制出發(fā)，結(jié)合工程實(shí)踐，系統(tǒng)分析SiC MOSFET的直流EMI特征，并提出體二極管反向恢復(fù)與開關(guān)振鈴的協(xié)同抑制策略。

一、SiC MOSFET的直流EMI特征：高頻與寬頻的雙重挑戰(zhàn)

SiC MOSFET的直流EMI主要源于其開關(guān)過程中的高di/dt(電流變化率)和高dv/dt(電壓變化率)。以650V SiC MOSFET在LLC諧振拓?fù)渲械膽?yīng)用為例，其開關(guān)頻率可達(dá)45kHz，遠(yuǎn)高于硅基IGBT的20kHz上限。高頻開關(guān)導(dǎo)致：

寬頻噪聲譜：噪聲能量從100kHz延伸至1GHz，覆蓋CISPR 32 Class B等標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵頻段，增加濾波設(shè)計(jì)難度。

共模噪聲突出：高頻電流通過寄生電容耦合至地，形成共模干擾，威脅敏感電路(如CPU、存儲(chǔ)器)的穩(wěn)定性。

非線性噪聲成分：體二極管反向恢復(fù)電流與開關(guān)振鈴的相互作用，產(chǎn)生非線性諧波，加劇EMI復(fù)雜性。

二、體二極管反向恢復(fù)：從物理機(jī)制到抑制策略

1. 反向恢復(fù)的物理根源

SiC MOSFET的體二極管雖為PN結(jié)結(jié)構(gòu)，但因SiC材料的高擊穿場強(qiáng)(10倍于硅)，其少數(shù)載流子壽命較短，反向恢復(fù)時(shí)間(trr)較硅基快恢復(fù)二極管(FRD)縮短80%以上。然而，在感性負(fù)載(如電感、變壓器漏感)作用下，反向恢復(fù)電流仍可能達(dá)到峰值電流的30%-50%，引發(fā)：

電壓尖峰：反向恢復(fù)電流與寄生電感(Lp)作用，產(chǎn)生ΔV=Lp·di/dt的過沖電壓，威脅器件安全。

EMI輻射：高頻反向恢復(fù)電流通過寄生電容(Cj)形成天線效應(yīng)，輻射噪聲能量。

2. 抑制策略：從器件選型到電路設(shè)計(jì)

器件選型：優(yōu)先選擇低Qrr(反向恢復(fù)電荷)的SiC MOSFET，如英飛凌CoolSiC?系列，其Qrr較硅器件降低90%。

RC吸收電路：在二極管兩端并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡(luò)(C=100pF-1nF，R=10Ω-100Ω)，吸收反向恢復(fù)能量，抑制電壓尖峰。例如，在48V直流系統(tǒng)中，RC吸收可將電壓過沖從3倍輸入電壓降至1.2倍。

飽和電抗器：串聯(lián)非晶合金磁環(huán)飽和電抗器，利用其高頻下高感量特性，限制反向恢復(fù)電流上升率(di/dt)，使電流波形軟化。實(shí)驗(yàn)表明，該方法可降低EMI輻射10dBμV以上。

三、開關(guān)振鈴：從寄生參數(shù)到阻尼控制

1. 振鈴的寄生參數(shù)模型

開關(guān)振鈴由寄生電感(Lp)與寄生電容(Coss)形成LC諧振回路產(chǎn)生。在SiC MOSFET中，高頻開關(guān)導(dǎo)致：

寄生電感：PCB走線、器件封裝引腳電感(典型值10nH-50nH)成為振鈴能量源。

寄生電容：MOSFET輸出電容(Coss)與二極管結(jié)電容(Cj)共同構(gòu)成諧振電容(典型值100pF-1nF)。

2. 協(xié)同抑制策略

布局優(yōu)化：縮短高頻回路路徑，采用“短、寬、直”的PCB布線原則，將寄生電感降低至5nH以下。例如，在超快充樁(30-40kW)設(shè)計(jì)中，通過優(yōu)化布局使振鈴頻率從118MHz降至50MHz，過沖電壓降低60%。

阻尼控制：

RC緩沖器：在開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW)與地之間并聯(lián)RC緩沖器(C=1nF-10nF，R=1Ω-10Ω)，通過阻尼消耗振蕩能量。緩沖電阻功率需按P=0.5·C·V2·Fsw計(jì)算，確保長期可靠性。

磁珠濾波：在SW節(jié)點(diǎn)串聯(lián)低Q值磁珠(如TDK MPZ系列)，利用其高頻高阻抗特性抑制振鈴。磁珠選型需平衡直流電阻(DCR<5mΩ)與交流阻抗(Zac>100Ω@100MHz)。

軟開關(guān)技術(shù)：采用LLC諧振或移相全橋(PSFB)拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)，從源頭消除開關(guān)振鈴。例如，在服務(wù)器電源(650V SiC MOSFET)中，LLC諧振拓?fù)鋵㈤_關(guān)損耗降低90%，振鈴幅度減小80%。

四、協(xié)同抑制的工程實(shí)踐：數(shù)據(jù)中心直流供電系統(tǒng)案例

某大型數(shù)據(jù)中心采用48V直流母線架構(gòu)，原系統(tǒng)使用硅基IGBT，存在以下問題：

EMI超標(biāo)：輻射發(fā)射在3m距離處超標(biāo)6dB(CISPR 32 Class B)。

效率低下：滿載效率僅95%，年耗電增加200萬kWh。

體積龐大：濾波器與散熱器占系統(tǒng)體積的40%。

通過引入SiC MOSFET并實(shí)施協(xié)同抑制策略：

器件升級(jí)：選用650V SiC MOSFET，開關(guān)頻率提升至100kHz，導(dǎo)通電阻降低至4mΩ。

反向恢復(fù)抑制：在續(xù)流二極管兩端并聯(lián)RC吸收電路(C=470pF，R=22Ω)，反向恢復(fù)時(shí)間縮短至20ns。

振鈴控制：優(yōu)化PCB布局，縮短高頻回路至10mm;在SW節(jié)點(diǎn)串聯(lián)磁珠(DCR=2mΩ，Zac=150Ω@100MHz)。

拓?fù)鋬?yōu)化：采用LLC諧振拓?fù)?，?shí)現(xiàn)ZVS軟開關(guān)，振鈴幅度降低90%。

改造后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：

EMI合規(guī)：輻射發(fā)射通過CISPR 32 Class B，留有6dB裕量。

效率提升：滿載效率達(dá)98%，年節(jié)電50萬kWh。

體積縮小：濾波器與散熱器體積減少60%，功率密度提升至300W/in3。

隨著數(shù)據(jù)中心向智能化、集成化發(fā)展，SiC MOSFET的EMI抑制將呈現(xiàn)兩大趨勢：

智能抑制：集成溫度傳感器與可調(diào)元件(如壓控磁珠)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測直流電流與溫度，動(dòng)態(tài)調(diào)整Zac與DCR，實(shí)現(xiàn)效率與EMC性能的自動(dòng)平衡。

集成化模塊：將SiC MOSFET、磁珠、電容及控制電路集成至單一模塊(如“EMC濾波芯片”)，通過3D封裝技術(shù)縮小體積(<10mm3)，滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)空間與功耗的嚴(yán)苛要求。

結(jié)語

碳化硅MOSFET的直流EMI抑制需直面體二極管反向恢復(fù)與開關(guān)振鈴的協(xié)同挑戰(zhàn)。通過器件選型優(yōu)化、寄生參數(shù)控制、軟開關(guān)拓?fù)浼爸悄芤种萍夹g(shù)，可實(shí)現(xiàn)高頻、高效與低EMI的平衡。未來，隨著智能化與集成化技術(shù)的融合，SiC MOSFET將成為數(shù)據(jù)中心直流供電系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)的“智能節(jié)點(diǎn)”，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定運(yùn)行提供關(guān)鍵支撐。